土壤水动力学的发展解析
土壤水研究进展与方向评述
生态环境学报 2009, 18(3): 1182-1188 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@基金项目：中国科学院知识创新重要方向基金项目资助(KZCX2-YW-306)；国家自然科学基金项目资助(40672112)作者简介：肖德安（1981年生），男，博士，研究方向为主要从事土壤水、地下水环境地球化学研究。
E-mail: xiaodean@ *通讯作者：E-mail: wangshijie@ 收稿日期：2009-03-16土壤水研究进展与方向评述肖德安1, 2，王世杰1*1. 中国科学院地球化学研究所//环境地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550002；2. 中国科学院研究生院，北京 100039摘要：土壤水与大气水、地表水、地下水和植被有着紧密的联系，是水资源中最重要和最复杂的部分。
为了给农业生产、生态恢复、环境治理以及水资源合理利用提供有效的理论指导，国内外已经有了较多关于土壤水的研究成果。
在综述土壤水研究的进展和已有成果基础上，重点分析了当前在土壤水研究方向上所存在的问题。
以往的土壤水研究较多集中于其物理性质，如水分含量及利用、土壤水盐分及其运移规律、土壤水动力学及数学模拟模型研究、土壤水水量计算及水平衡研究等，而对其化学性质的研究和认识较为不足，特别是其地球化学特征的研究更是较少。
然而土壤水的地球化学特征同样是决定着土壤水的运移规律的重要因素，但目前此方向的研究只有土壤水同位素地球化学研究。
由于土壤水取样困难，土壤水元素地球化学和与环境污染有关的土壤水地球化学研究也仍然较少。
因此，今后应当加强对土壤水地球化学特征的研究，并逐步提高实验技术和积累研究经验，以期能更全面地揭示土壤水的本质特征及其运移规律。
关键词：土壤水；物理性质；地球化学；进展；研究方向中图分类号：S152.7 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2009）03-1182-07土壤水是指地表面以下至地下水面（潜水面）以上土壤层中的水分，也称为非饱和带土壤水[1]。
土壤机械动力学
土壤机械动力学土壤机械动力学是土力学中的一个分支，它主要研究土壤在不同载荷作用下的变形和破坏规律。
在土木工程中，土壤机械动力学是非常重要的，因为它涉及到工程土壤的稳定性和承载能力，对土体的基础和建筑物的设计都有重要影响。
土壤机械动力学研究的对象是土壤，而土壤是由颗粒、空隙和水组成的多相介质。
在土壤中，颗粒通过重力作用相互堆积，形成了土体的骨架结构，空隙则是颗粒之间的空隙，可以用来储存水和气体。
因为土壤中的颗粒和空隙数量非常庞大，所以为了研究其力学行为，需要采用统计力学的方法，将其看作一个连续体。
从力学的角度来看，土壤可以分为两种类型：粘性土和非粘性土。
粘性土的颗粒之间有较强的吸附力和结合力，因此可以承受一定的剪切应力。
非粘性土的颗粒之间只有惯性力和重力，不具有结合力，因此一旦受到剪切应力就会破裂。
在土体被外力作用下，其内部颗粒的结构会发生变化，产生应力和应变，这些变化都可以用来描述土壤机械动力学的行为。
土壤的力学特性主要与其体积、形状、颗粒大小和形态、含水量等因素有关。
其中，含水量是影响土壤力学行为最为重要的因素之一。
在含水量较低时，土壤的强度和刚度都比较高；而在含水量增加时，土壤的强度和刚度会逐渐下降，最终导致土体的液化和塌陷。
因此，在土壤工程中，需要对不同含水量的土壤进行力学特性的研究和分析。
土壤在机械动力学中的研究主要包括以下方面：1. 土壤的变形特性：土壤在受到外力作用后会发生弹性变形和塑性变形。
弹性变形是指土壤在受到外力作用后能够恢复原来的形态，而塑性变形则是指土壤在受到外力后无法恢复原来的形态。
塑性变形使得土体的承载能力下降，因此需要在设计土体结构时加以考虑。
2. 土壤的强度特性：土壤的强度是指土体在受到外力作用时的抵抗能力。
不同类型的土壤具有不同的强度特性，比如粘性土的强度和非粘性土的强度就有很大的差异。
在设计土体结构时，需要根据土壤的强度特性确定其承载能力和安全系数。
3. 土壤的液化特性：液化是指土壤在受到外力作用后失去承载能力，产生明显的液化现象。
土壤动力学基础
2 压实土壤所产生的阻力
压实土壤所产生的阻力 所消耗的功等于压出车辙所做的 功，即：
Z
RL BL pdz
0
式中:R—行走阻力
L— 行驶距离 B—车轮或履带宽度 p—接地压力
Z—下陷（车辙）深度
据 则：
（1）履带压实土壤所产生的阻力
P
(kc b
k )Z n
R
BZ (kc 0B
k )z ndz
• 塑限
WP
• 液限 WL
• 塑性指数 PI WL WP
（7）粘附极限
Wt
1．土壤土壤的主要力学参数及其测定
（1）土壤坚实度 又称土壤硬度，是指一定形状的几何体插入土壤时所
受的阻力。最常用的是锥体和平板。
（2）土壤外附力与内聚力
土壤外附力（系数）：土壤着金属或其它材料表面的力，N/m2 土壞内聚力（系数）：土壤颗粒间的粘结力， N/m2 这两个参数可用土壤外附力/内聚力测定仪测定。
tg
f
式中： C Wtg 为最大推进力，第一项是由土壤内聚性所发挥 出的推进力；第二项是由于土壤的内摩擦性所发挥的推进力 。 f为滚动阻力系数， f R
W
为提高牵引系数，一方面靠提高推力；再一方面就是减小阻 力。
（2）改进途径 ① 提高推进力的途径
从 是
Hmax Ac Wtg
可看出，要增加推进力，一个方法
式中： —剪切应力； —-土壤内摩擦角；p—正压（应）力；
d—剪切位移；c—土壤（切向）内聚力系数； k 、 k1、 k2—土壤剪切变形模数。
四、行走机构推力计算 1行走机构受力分析
牵引力T=H-R
滑转率（打滑率）
i
车辆理论速度 - 车辆实际速度 车辆理论速度
土壤水环境中污染物运移双点吸附解吸动力学模型
∂C ∂z
⎞ ⎠⎟
−
∂qC ∂z
⎪⎪⎪−kθρ[(1 − ⎨
f
)KdC
−
S2 )] − θλ1C
−
f
ρ Kdλ2C
（1）
⎪⎪S1 = fKdC
⎪ ⎪
∂S2
⎪⎩ ∂t
=
kθ[(1 −
f
)KdC
−
S2 )] − λ3S2
式中：C 为污染物在水相中的浓度；S1 和 S2 分 别为污染物在平衡和非平衡吸附相上的吸附浓度；
（1. 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系, 阜新 123000; 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）
摘 要：在考虑对流弥散、平衡/非平衡双点吸附解吸、微生物降解等情况下，建立了土壤环境中有机污染物迁移转化的动
力学模型，并给出了有限差分解。在此模型的基础上，详细讨论了有机污染物在土壤中的分布规律，并对一阶吸附解吸速率
（7）
初始条件离散为
C
0 j
=
(
S1
)0 j
=
(
S2
)0 j
=
0
（8）
上边界条件离散为
⎧ ⎪
−
⎪
θD 4h
(C1τ
−
C
τ −1
+
C1τ
+1
−
C
τ +1 −1
)
+
⎪ ⎪⎪
vθ 2
(C
τ 0
+1
+
C
τ 0
)
=
vC0
⎨
⎪ ⎪− ⎪
θD 4h
(C1τ
土壤侵蚀动力学及防治方法
土壤侵蚀动力学及防治方法土壤是地球表面最重要的自然资源之一，它在维持生态系统的平衡和支持农业生产方面起着关键作用。
然而，由于自然因素和人为活动的影响，土壤侵蚀已成为全球性的环境问题。
了解土壤侵蚀动力学并采取有效的防治方法对保护土壤资源、维持生态平衡至关重要。
土壤侵蚀动力学是指土壤松散物质在水、风等外力作用下从一个地方运动到另一个地方的过程。
土壤侵蚀动力学研究了土壤侵蚀的发生机制、过程和规律，对于制定科学有效的土壤侵蚀防治策略至关重要。
土壤侵蚀的主要动力包括水力、风力和重力。
水力侵蚀是最常见的土壤侵蚀形式，包括径流冲刷和雨滴冲击。
丰富的降雨和坡度陡峭是水力侵蚀的主要促进因素。
风力侵蚀主要发生在干旱地区，土壤颗粒通过风力的携带和碰撞而移动。
重力侵蚀主要发生在山体坡度陡峭、地震、山体滑坡等自然灾害情况下，土壤松散物被重力作用下滑移动。
土壤侵蚀不仅会直接损失土壤资源，还会导致水质污染、河流冲淤、洪灾、干旱等一系列环境问题。
因此，采取有效的防治措施对于减轻土壤侵蚀的影响至关重要。
一种常见的土壤侵蚀防治方法是植被保护。
植被能够起到很好的固土保水作用，减缓水流速度并减少土壤冲刷。
合理的植被覆盖可以防止土壤暴露在雨滴和风力冲蚀下，同时根系也能牢固地将土壤束缚在地表。
因此，合理的植被保护是预防水力和风力侵蚀的重要手段。
水土保持措施也是重要的土壤侵蚀防治方法之一。
建设有效的水土保持工程，例如梯田、沟沟坎坎等，能够在一定程度上抵御水力冲刷和重力侵蚀。
这些工程能够分散和减缓水流速度，降低土壤冲刷的力度。
同时，水土保持工程还可以收集雨水并提供潜水补给，维持地下水位稳定。
农业管理措施也可以有效减少土壤侵蚀。
合理安排农作物种植结构、优化耕作方法、合理施肥和管理农田排水等措施，能够减少土壤暴露在外力之下的机会，保持土壤的完整性。
此外，合理的农田排水系统能够减少水涝和积水，防止土壤表面的水流冲刷和侵蚀。
除了以上几种方法，还有一些修复和防治土壤侵蚀的新技术和方法不断涌现。
土壤水分运移模拟研究进展
土壤水分运移模拟研究进展随着气候变化和人类活动的影响，土壤水分的运移对环境和农业生产具有重要的影响。
因此，土壤水分运移模拟成为了国内外研究的热点之一。
本文将对土壤水分运移模拟的研究进展进行综述。
一、模型分类目前，土壤水分运移模拟模型主要可以分为两大类：物理模型和统计模型。
物理模型是通过对各种动力学方程以及天文、地理、气象等数据进行数学描述，再通过计算来模拟水分运移的过程。
统计模型则是通过大量的实测数据进行拟合，建立关于土壤及其水分运移的统计模型，并通过模型参数进行预测。
二、模型应用1. 水资源管理土壤水分运移模拟对于水资源管理具有很大的帮助，可以通过模型对空间和时间上的水分分布进行研究，为水资源的开发利用提供科学依据。
2. 农业生产土壤水分对于农业生产具有重要的影响，特别是在干旱和半干旱地区。
土壤水分运移模拟可以帮助农业生产者制定合理的灌溉方案，提高土地的水分利用效率。
3. 土地利用规划土壤水分运移模拟可以结合土地利用规划，为土地的合理利用提供科学依据。
模型可以为土壤肥力、植物生长等提供数据，对决策者制定科学的土地利用规划有很大的帮助。
三、模型发展趋势随着数据采集技术、计算机技术的不断进步，土壤水分运移模拟模型的精度和可靠性得到进一步提高。
同时，建立多元、全球、分配化的大尺度土壤水分运移模型已经成为一个新的研究热点，将为生态系统保护和气候变化研究提供科学依据。
总之，土壤水分运移模拟模型已经成为当下研究的热点之一，其在气候变化、农业生产和水资源管理等方面具有重要应用价值。
模型发展的趋势是向多元化、全球化、分配化发展，对生态环境的保护和气候变化问题的研究具有重要作用。
地下水动力学
另外，在工程建设中，比如修建地铁、隧道或者大坝时，我们必须考虑地下水的影响。如果对地下水的运动情况估计不足，可能会导致工程事故，如隧道涌水等。
为了研究地下水的运动，科学家们发展了一系列的方法和模型。其中，达西定律是一个基础的理论。它描述了在层流状态下，地下水的流量与水力梯度和渗透系数之间的关系。
地下水的运动主要受到两种力的驱动。一种是重力，就像水往低处流一样，地下水在重力的作用下会从地势高的地方向地势低的地方流动。另一种是压力差，当地下水所处的区域存在压力差异时，水也会从压力高的地方流向压力低的地方。
含水层是地下水储存和运动的重要场所。根据含水层的水力性质，我们可以将其分为孔隙含水层、裂隙含水层和岩溶含水层。孔隙含水层就像一个装满细沙的容器，水在沙粒之间的孔隙中流动；裂隙含水层则像是一块布满裂缝的石头，水沿着这些裂缝运动；岩溶含水层则如同一个巨大的溶洞系统，水在其中复杂地穿梭。
地下水动力学
地下水动力学是研究地下水在含水层中运动规律的科学。它对于合理开发利用地下水资源、解决与地下水有关的环境和工程问题具有重要意义。
想象一下，大地就像一个巨大的海绵，而地下水就藏在这个海绵的孔隙和裂缝中。地下水动力学要研究的，就是这些水是如何流动的，受到哪些因素的影响，以及我们如何去预测和控制它们的运动。
除了达西定律，还有一些更复杂的模型，如泰斯模型、裘布依模型等。这些模型可以帮助我们更准确地预测地下水的动态变化。
然而，地下水动力学的研究也面临着一些挑战。例如，自然界ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的地下水系统非常复杂，很难用简单的模型完全准确地描述。而且，人类活动对地下水的影响日益加剧，使得地下水的运动规律变得更加难以捉摸。
土壤水研究进展
块状模式
大叶模式
层状模式 混合模式
SPAC水热传输理论的优缺点
可区分植被蒸腾和棵间蒸发、水分胁迫下的蒸
发蒸腾规律。便于进行作物高效用水机理、生态
用水等领域的研究 ；
需要的参数较多，有些不易测定；
相关理论模型不甚成熟、仍需进行总结验证
有待进一步研究的问题
GSPAC水热盐耦合运移的研究？
•双孔隙模型：小孔隙中的基质流仍按照Richards方程描 述，而大孔隙中的优先流则较多采用运动波模型 •统计学方法（statistical approach）和现象学方法 （phenomenological approach）
层状土壤水分入渗
层状土入渗的研究方法
半经验方法— 计算层状土稳渗率的饱和层最小通量法 半机理模型— 改进的Green-Ampt模型 数值求解— 基于传统Richards方程的数值模拟模型 当出现优先流时— 土壤指流的出现可能导致传统的基于 达西定律的土壤水分运动方程不再适用 ：
均质土入渗
壤 土
壤 土
砂 土
湿润峰进入 下层粗质土
入渗率 i
入渗率迅速降 低为一常值
层状土 均质土
时间 t
层状土壤水分入渗
层状土入渗的研究方法
半经验方法— 计算层状土稳渗率的饱和层最小通量法 半机理模型— 改进的Green-Ampt模型 数值求解— 基于传统Richards方程的数值模拟模型 当出现优先流时— 土壤指流的出现可能导致传统的基于 达西定律的土壤水分运动方程不再适用 ：
增加了地下水污染风险
诱发地质灾害：易引发泥石流、滑坡和山体崩
塌等地质灾害
优先流研究存在的主要问题
优先流运动机理尚未明确
缺乏系统的判定标准
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1.1 概述 1.2 土壤水势与土壤水分运动 1.3 SPAC 水热传输 1.4 土壤中溶质的迁移与转化 1.5 土壤水问题应用研究
1.1 概 述
❖ 科学 学科 学科分支
流体→液体→水→土壤水
流体动力学→水动力学
→多孔介质水动力学→饱和流、非饱和流
→土壤水动力学（地下水动力学、土壤水动力学）
❖ 土壤溶质迁移转化的研究背景 环境问题 —— 面源污染 （化肥、农药等） 土壤盐碱化
❖ 土壤溶质迁移基本方程
c
t
cs
z
Dsh
v.
c z
qc
z
SC
对 流： q c
弥 散： Dsh c/ z 分子扩散＋机械弥散→水动力弥散
源汇项：S c
液相以外的动态贮存：cs
1.4.2 土壤溶质迁移转化行为
Rn
大气 c
λE
Ta
ea
冠层 cv cs
Rv
ra
ra
λE v
r1
T1
eb r1 rC e1*
Tb
Rs λE s
r2
r2 rs
土壤
G
显热 潜热
T2
e2
温度 水汽压
大叶模型
三个介质 土壤 植物（叶） 大气
两个介面 土壤－植物 植物－大气
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC水热传输模拟模型
能量平衡
RN RV RS RV CV EV RS CS ES E EV ES C CV CS
➢可动水体与非可动水体间的质量迁移
❖ 化学动力学反应方程
X+Y→Z Z/t = kXnYm Z/t = kXn n=0、1、2
区域水循环与CO2、N和P等物质循环的耦合
氮（磷）循环与非点源污染密切相关，逐渐成为主要污染源 碳循环与作物生长密切相关，对温室气体减排有重要意义
1.5 土壤水问题应用研究
❖ 土壤水的形态
吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水
W M w 100% M M s 100%
Ms
Ms
Vw 100%
V
❖ 土壤水的能量——势能——土水势
单位数量土壤水具有的势能——单位数量、标准参考状态
• 重力势Ψg • 压力势Ψp
Ψg = ± z (Mgz：gz、ρwg z、z）
Ψp = h
q = - △ψ1 ／R1 = - △ψ2 ／R2 = - △ψ3 ／R3 = - △ψ4 ／R4 阻抗 容抗
Transpiration
大气 -500 bar
Evaporation
叶 -15 bar
根 -3 bar 土壤 -0.3～ -1.0 bar
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC水热传输模拟
Darcy’s Law, Richards equation
❖ 学科研究的发展
1856
1931
定性→定量 经验→理论 单一→综合、交叉 传统→现代技术（GIS、遥感和计算机模拟)
❖ 学科研究方向的背景
教学背景——大学本科专业的主要专业基础 应用背景——水文学、水资源、农田水利、环境与生态
❖ 学科研究的应用背景
• 基质势Ψm Ψm ～θ （土壤水分特征曲线）
• 溶质势ΨS ΨS ～c 、T
• 温度势ΨT
总水势 Ψ＝ Ψg ＋ Ψp ＋ Ψm＋ Ψs ＋ ΨT
土壤水分特征曲线 －－土壤水能量与数量的关系－－
ψm
θ
1.2.2 非饱和土壤水流动基本方程
达西定律： q kψ
连续方程： • q
t
基本方程
1.5.1 水文水资源－－ 四水转化概念 ❖ 四水转化概念
大气水
降水
蒸发
地表水
土壤水
地下水
转化的观点，机理的认识
三水——降水 地表水 地下水
四水——大气水 土壤水 地表水 地下水
五水——降水 土壤水 地表水 地下水 植物水
1.5.1 水文水资源－－ 地下水资源评价 ❖ 地下水均 衡
P IG
ET
P—降雨 I—渠灌 G—井灌
αP βI λG G cE0
△H
地下水均衡 μΔH = P + I – (1-) G – cE0 ± Q
水分
t
z
D
z
k
z
温度
c
T t
z
T z
土壤组成 组成比例 比热容
热导率
固相
xs cs λs
❖ 土壤中的多相（水）流
液态水 气态水－水汽 水的相变－潜热－温度－相变 水汽的扩散与迁移
液相
xw cw λw
气相
xa ca λa
1.3.1 土壤中水热耦合迁移
❖ 冻结条件下土壤水热耦合迁移
水热耦合方程
水文学——陆地水循环的关键环节：降雨径流及土壤水 水资源——地表水、地下水为主的水资源评价 农田灌溉——土壤水的转化与消耗、水资源的有效利用 生态水文学——陆生生态的生态需水和生态用水 水环境——农业面源污染
1.2 土壤水势与土壤水分运动
1.2.1 土 壤 水的数量、形态和能量 ❖ 土壤水的数量
土壤含水量（率）——重量、体积
• k ψ
t
t
x
D
x
y
k
z
c
m
t
m
x
k
m
m x
y
k
m
m y
z
k
m
m
z
k
z
m
c d
d m
D
k c
Rechards，1931
1.3 SPAC 水热传输
1.3.1 土壤中水热耦合迁移
❖ 常温条件下土壤水热迁移 常温——土壤非冻结 简化——忽略水汽 、一维
t
z
D
z
k
z
i w
i t
c T t
z
T z
LI
I
I t
θ θ
土壤中水和冰混合， 并伴随有相变。
t1
t0
z
T
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC系统概念 SPAC——Soil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip
• 连续体 • 驱动力——水势
❖ 土壤中溶质迁移转化的基本行为 （物理、化学、生物）
➢根的吸收 — 根的密度、离子浓度差（竞争方程） ➢挥发 — 在土壤表面以气态形式的损失 ➢降解 — 如农药的水解与微生物的降解
c=c0e –kt、半衰期 ti/2=o.693 / k ➢硝化 — 微生物作用下的氧化，NH4+→ NH3－ ➢反硝化 —微生物作用下的还原，NH3－ →N2，NO2 (一级动力学方程） ➢溶解与沉淀 ➢吸附与解析 — 平衡吸附、动力吸附 (一级动力学方程）
土壤 水热迁移
c T t
z
T z
t
z
D
z
k
z
水热扩散
ES
c p
e2 r
eb rs
cs
c p
T2 Tb r2
Ev c p e1 eb r1 rc
cv
c p
T1
Tb r1
E c p eb ea ra
c
c p
Tb
Ta ra
1.4 土壤中溶质的迁移与转化
1.4.1 土壤溶质迁移转化基本方程